الهدف من نمذجة تلوث الهواء هو تقدير تركيزات الملوثات الخارجية التي تسببها ، على سبيل المثال ، عمليات الإنتاج الصناعي أو الإطلاق العرضي أو حركة المرور. تُستخدم نمذجة تلوث الهواء للتأكد من التركيز الكلي للمادة الملوثة ، وكذلك لإيجاد سبب المستويات المرتفعة غير العادية. بالنسبة للمشروعات في مرحلة التخطيط ، يمكن تقدير المساهمة الإضافية للعبء الحالي مقدمًا ، ويمكن تحسين ظروف الانبعاث.

الشكل 1. النظام العالمي لرصد البيئة / إدارة تلوث الهواء

اعتمادًا على معايير جودة الهواء المحددة للملوثات المعنية ، فإن القيم المتوسطة السنوية أو تركيزات الذروة في الوقت القصير هي موضع اهتمام. عادة يجب تحديد التركيزات في الأماكن التي ينشط فيها الناس - أي بالقرب من السطح على ارتفاع حوالي مترين فوق سطح الأرض.

العوامل التي تؤثر على تشتت الملوثات

هناك نوعان من المعلمات التي تؤثر على تشتت الملوثات: معلمات المصدر ومعلمات الأرصاد الجوية. بالنسبة لمعلمات المصدر ، تتناسب التركيزات مع كمية الملوثات المنبعثة. إذا كان الأمر يتعلق بالغبار ، فيجب أن يكون قطر الجسيم معروفًا لتحديد ترسيب وترسيب المادة (VDI 1992). نظرًا لأن التركيزات السطحية أقل مع ارتفاع أكبر للمكدس ، يجب أيضًا معرفة هذه المعلمة. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد التركيزات على الكمية الإجمالية لغاز العادم ، وكذلك على درجة حرارته وسرعته. إذا تجاوزت درجة حرارة غاز العادم درجة حرارة الهواء المحيط ، فسيكون الغاز عرضة للطفو الحراري. سرعة العادم ، والتي يمكن حسابها من قطر المكدس الداخلي وحجم غاز العادم ، ستسبب طفوًا ديناميكيًا للزخم. يمكن استخدام الصيغ التجريبية لوصف هذه الميزات (VDI 1985 ؛ Venkatram and Wyngaard 1988). يجب التأكيد على أنه ليس كتلة الملوث المعني ولكن كتلة الغاز الكلي هي المسؤولة عن طفو الزخم الحراري والديناميكي.

عوامل الأرصاد الجوية التي تؤثر على تشتت الملوثات هي سرعة الرياح واتجاهها ، وكذلك التقسيم الحراري العمودي. يتناسب تركيز الملوث مع مقلوب سرعة الرياح. هذا يرجع بشكل رئيسي إلى النقل المتسارع. علاوة على ذلك ، يزداد الاختلاط المضطرب مع تزايد سرعة الرياح. نظرًا لأن الانعكاسات المزعومة (أي الحالات التي تزداد فيها درجة الحرارة مع الارتفاع) تعيق الخلط المضطرب ، يتم ملاحظة التركيزات القصوى على السطح أثناء التقسيم الطبقي عالي الاستقرار. على العكس من ذلك ، فإن حالات الحمل الحراري تكثف الخلط الرأسي وبالتالي تظهر أقل قيم تركيز.

عادةً ما تستند معايير جودة الهواء - على سبيل المثال ، القيم المتوسطة السنوية أو 98 في المائة - إلى الإحصائيات. وبالتالي ، هناك حاجة إلى بيانات السلاسل الزمنية لمعلمات الأرصاد الجوية ذات الصلة. من الناحية المثالية ، يجب أن تستند الإحصائيات إلى عشر سنوات من المراقبة. في حالة توفر سلاسل زمنية أقصر فقط ، يجب التأكد من أنها تمثيلية لفترة أطول. يمكن القيام بذلك ، على سبيل المثال ، من خلال تحليل السلاسل الزمنية الأطول من مواقع المراقبة الأخرى.

يجب أن تكون السلاسل الزمنية للأرصاد الجوية المستخدمة أيضًا ممثلة للموقع الذي تم النظر فيه - أي يجب أن تعكس الخصائص المحلية. هذا مهم بشكل خاص فيما يتعلق بمعايير جودة الهواء بناءً على أجزاء الذروة للتوزيع ، مثل 98 بالمائة. إذا لم تكن مثل هذه السلاسل الزمنية في متناول اليد ، فيمكن استخدام نموذج تدفق الأرصاد الجوية لحساب واحد من البيانات الأخرى ، كما سيتم وصفه أدناه.

يوفر برنامج المراقبة العالمية للغلاف الجوي (GAW) (Miller and Soudine 1994) بيانات ومعلومات أخرى عن التركيب الكيميائي والخصائص الفيزيائية للغلاف الجوي واتجاهاتها ، بهدف فهم العلاقة بين تكوين الغلاف الجوي المتغير والتغيرات العالمية. والمناخ الإقليمي ، والانتقال بعيد المدى في الغلاف الجوي ، وترسب المواد التي يحتمل أن تكون ضارة على النظم الإيكولوجية الأرضية ، والمياه العذبة ، والبحرية ، والدورة الطبيعية للعناصر الكيميائية في الغلاف الجوي العالمي / المحيط / نظام الغلاف الحيوي ، والآثار البشرية المنشأ عليها. يتكون برنامج المراقبة العالمية للغلاف الجوي من أربعة مجالات نشاط: النظام العالمي لرصد الأوزون (GO3OS) ، والرصد العالمي لتكوين الغلاف الجوي الخلفي ، بما في ذلك شبكة رصد تلوث الهواء الخلفية (BAPMoN) ؛ التشتت ، والنقل ، والتحول الكيميائي ، وترسب ملوثات الغلاف الجوي على اليابسة والبحر على نطاقات زمنية ومكانية مختلفة ؛ تبادل الملوثات بين الغلاف الجوي والأجزاء البيئية الأخرى ؛ والمراقبة المتكاملة. أحد أهم جوانب المراقبة العالمية للغلاف الجوي هو إنشاء مراكز نشاط علمي لضمان الجودة للإشراف على جودة البيانات المنتجة في إطار المراقبة العالمية للغلاف الجوي.

مفاهيم نمذجة تلوث الهواء

كما ذكر أعلاه ، يعتمد تشتت الملوثات على ظروف الانبعاث والنقل والخلط المضطرب. إن استخدام المعادلة الكاملة التي تصف هذه الميزات يسمى نمذجة التشتت الأولير (Pielke 1984). من خلال هذا النهج ، يجب تحديد مكاسب وخسائر الملوثات المعنية في كل نقطة على شبكة مكانية وهمية وفي خطوات زمنية مميزة. نظرًا لأن هذه الطريقة معقدة للغاية وتستغرق وقتًا طويلاً في الكمبيوتر ، فلا يمكن عادةً التعامل معها بشكل روتيني. ومع ذلك ، بالنسبة للعديد من التطبيقات ، يمكن تبسيطها باستخدام الافتراضات التالية:

• لا تغيير في ظروف الانبعاث مع مرور الوقت

• لا تغيير في ظروف الأرصاد الجوية أثناء النقل

• سرعة الرياح فوق 1 م / ث.

في هذه الحالة ، يمكن حل المعادلة المذكورة أعلاه تحليليًا. تصف الصيغة الناتجة عمودًا بتوزيع تركيز غاوسي ، وهو ما يسمى نموذج عمود غاوسي (VDI 1992). تعتمد معلمات التوزيع على ظروف الأرصاد الجوية ومسافة الريح وكذلك على ارتفاع المدخنة. يجب أن يتم تحديدها بشكل تجريبي (Venkatram and Wyngaard 1988). يمكن وصف الحالات التي تختلف فيها الانبعاثات و / أو بارامترات الأرصاد الجوية بمقدار كبير في الوقت و / أو المكان بواسطة نموذج النفث الغاوسي (VDI 1994). في ظل هذا النهج ، تنبعث نفث متميزة في خطوات زمنية محددة ، كل منها يتبع مساره الخاص وفقًا لظروف الأرصاد الجوية الحالية. في طريقها ، تنمو كل نفخة وفقًا للخلط المضطرب. يجب تحديد المعلمات التي تصف هذا النمو ، مرة أخرى ، من البيانات التجريبية (Venkatram and Wyngaard 1988). ومع ذلك ، يجب التأكيد على أنه لتحقيق هذا الهدف ، يجب أن تكون معلمات الإدخال متاحة بالقرار اللازم في الوقت و / أو المكان.

فيما يتعلق بالإطلاقات العرضية أو دراسات الحالة الفردية ، نموذج لاغرانج أو نموذج جسيم (المبدأ التوجيهي VDI 3945، الجزء 3) موصى به. وبالتالي فإن المفهوم هو حساب مسارات العديد من الجسيمات ، كل منها يمثل كمية ثابتة من الملوث المعني. تتكون المسارات الفردية من النقل بالرياح المتوسطة والاضطرابات العشوائية. نظرًا للجزء العشوائي ، فإن المسارات لا تتفق تمامًا ، ولكنها تصور الخليط بالاضطراب. من حيث المبدأ ، فإن نماذج لاغرانج قادرة على مراعاة ظروف الأرصاد الجوية المعقدة - على وجه الخصوص ، الرياح والاضطرابات ؛ يمكن استخدام الحقول المحسوبة بواسطة نماذج التدفق الموضحة أدناه لنمذجة تشتت لاغرانج.

نمذجة التشتت في التضاريس المعقدة

إذا كان لابد من تحديد تركيزات الملوثات في تضاريس منظمة ، فقد يكون من الضروري تضمين التأثيرات الطبوغرافية على تشتت الملوث في النمذجة. هذه التأثيرات ، على سبيل المثال ، هي النقل الذي يتبع الهيكل الطبوغرافي ، أو أنظمة الرياح الحرارية مثل نسمات البحر أو الرياح الجبلية ، والتي تغير اتجاه الرياح خلال النهار.

إذا حدثت مثل هذه التأثيرات على مقياس أكبر بكثير من منطقة النموذج ، يمكن النظر في التأثير باستخدام بيانات الأرصاد الجوية التي تعكس الخصائص المحلية. في حالة عدم توفر مثل هذه البيانات ، يمكن الحصول على البنية ثلاثية الأبعاد المؤثرة على التدفق حسب التضاريس باستخدام نموذج التدفق المقابل. بناءً على هذه البيانات ، يمكن تنفيذ نمذجة التشتت نفسها بافتراض التجانس الأفقي كما هو موضح أعلاه في حالة نموذج عمود غاوسي. ومع ذلك ، في الحالات التي تتغير فيها ظروف الرياح بشكل كبير داخل منطقة النموذج ، يجب أن تأخذ نمذجة التشتت نفسها في الاعتبار التدفق ثلاثي الأبعاد المتأثر بالبنية الطبوغرافية. كما ذكر أعلاه ، يمكن القيام بذلك باستخدام نموذج نفث غاوسي أو نموذج لاغرانج. هناك طريقة أخرى وهي إجراء نمذجة أويلر الأكثر تعقيدًا.

لتحديد اتجاه الرياح وفقًا للتضاريس الهيكلية الطوبوغرافية ، يمكن استخدام نمذجة التدفق المتسقة أو التشخيصية (Pielke 1984). باستخدام هذا النهج ، يتم ضبط التدفق على التضاريس عن طريق تغيير القيم الأولية بأقل قدر ممكن والحفاظ على اتساق كتلته. نظرًا لأن هذا نهج يؤدي إلى نتائج سريعة ، فيمكن استخدامه أيضًا لحساب إحصائيات الرياح لموقع معين إذا لم تتوفر ملاحظات. للقيام بذلك ، يتم استخدام إحصاءات الرياح الجيوستروفية (أي بيانات الهواء العلوي من مسابح خام).

ومع ذلك ، إذا كان لابد من النظر في أنظمة الرياح الحرارية بمزيد من التفصيل ، فيجب استخدام ما يسمى بالنماذج التنبؤية. اعتمادًا على مقياس منطقة النموذج وانحدارها ، يكون النهج الهيدروستاتيكي ، أو حتى النهج غير الهيدروستاتيكي الأكثر تعقيدًا ، مناسبًا (VDI 1981). تحتاج النماذج من هذا النوع إلى قدر كبير من طاقة الكمبيوتر ، فضلاً عن الكثير من الخبرة في التطبيق. تحديد التركيزات على أساس الوسائل السنوية ، بشكل عام ، غير ممكن مع هذه النماذج. بدلاً من ذلك ، يمكن إجراء دراسات الحالة الأسوأ من خلال مراعاة اتجاه واحد فقط للرياح وسرعة الرياح ومعلمات التقسيم الطبقي التي تؤدي إلى أعلى قيم تركيز السطح. إذا لم تتجاوز قيم أسوأ الحالات معايير جودة الهواء ، فلا داعي لمزيد من الدراسات التفصيلية.

الشكل 2. الهيكل الطبوغرافي لمنطقة النموذج

يوضح الشكل 2 والشكل 3 والشكل 4 كيف يمكن عرض نقل وتوزيع الملوثات فيما يتعلق بتأثير مناخات التضاريس والرياح المستمدة من النظر في ترددات الرياح السطحية والجيوستروفية.

الشكل 3. توزيعات التردد السطحي كما هو محدد من توزيع الترددات الأرضية

الشكل 4 - متوسط ​​تركيزات الملوثات السنوية لمنطقة افتراضية محسوبة من توزيع الترددات الأرضية لحقول الرياح غير المتجانسة

نمذجة التشتت في حالة المصادر المنخفضة

بالنظر إلى تلوث الهواء الناجم عن المصادر المنخفضة (مثل ارتفاعات المداخن بترتيب ارتفاع المبنى أو انبعاثات حركة المرور على الطرق) ، يجب مراعاة تأثير المباني المحيطة. سيتم احتجاز انبعاثات حركة المرور على الطرق إلى حد معين في الأخاديد في الشوارع. تم العثور على صيغ تجريبية لوصف هذا (Yamartino و Wiegand 1986).

الملوثات المنبعثة من كومة منخفضة تقع في مبنى سيتم التقاطها في الدوران على جانب لي من المبنى. يعتمد مدى دوران هذا اللي على ارتفاع وعرض المبنى ، وكذلك على سرعة الرياح. لذلك ، فإن الأساليب المبسطة لوصف تشتت الملوثات في مثل هذه الحالة ، بناءً على ارتفاع المبنى فقط ، ليست صالحة بشكل عام. تم الحصول على المدى الرأسي والأفقي لدوران اللي من دراسات نفق الرياح (Hosker 1985) ويمكن تنفيذه في نماذج تشخيصية متسقة الكتلة. بمجرد تحديد مجال التدفق ، يمكن استخدامه لحساب النقل والخلط المضطرب للملوث المنبعث. يمكن القيام بذلك عن طريق نمذجة تشتت لاغرانج أو أويلريان.

لا يمكن إجراء المزيد من الدراسات التفصيلية - المتعلقة بالإطلاقات العرضية ، على سبيل المثال - إلا باستخدام نماذج التدفق والتشتت غير الهيدروستاتيكي بدلاً من نهج التشخيص. نظرًا لأن هذا ، بشكل عام ، يتطلب طاقة كمبيوتر عالية ، يوصى باتباع نهج أسوأ الحالات كما هو موضح أعلاه قبل نمذجة إحصائية كاملة.

الرجوع